可穿戴运动心率监测设备的低能耗电源设计
曹婧
摘 要： 可穿戴运动心率监测设备对电源的要求较高，当前电源设计过程中，存在电源电路设计复杂、电压输出不稳定、能耗高的弊端，不能满足可穿戴运动心率监测设备对电源的要求。为此，设计了一种新的可穿戴运动心率监测设备低能耗电源，给出所设计低能耗电源芯片内部结构。介绍了欠压锁存模块的设计过程，通过欠压锁存模块保证数据采集的稳定性。为了保护电源芯片的安全性，设计了VCC过压保护电路。通过低压差线性稳压器给可穿戴运动心率监测设备的电源提供电力和部分偏置电压。为了符合可穿戴运动心率监测设备电源的低能耗要求，设计了能量回馈装置。依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写，通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制。实验结果表明，所设计电源能耗低。
关键词： 可穿戴运动心率监测设备； 低能耗； 电源设计； PID算法
中图分类号： TN86?34； TP39 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0174?03
Design of low?energy consumption power supply for wearable exercise heart rate monitoring device
CAO Jing
（Nanjing University of Technology， Nanjing， 210009， China）
Abstract： The wearable exercise heart rate monitoring device has high demand for power supply. In the current power supply design process， the power circuit design is complex， the output voltage is not stable， and the energy consumption is high， which cannot meet power supply requirements of wearable exercise heart rate monitoring device. Therefore， a new low?energy power supply for the wearable exercise heart rate monitoring device was designed. In this paper， the internal structure of the low?energy power supply chip is given and the design process of the undervoltage latch module is introduced， which is used to guarantee data acquisition stability. In order to protect the safety of power supply chip， VCC overvoltage protection circuit was designed. Low dropout linear regulators are used to provide power and partial bias voltage for the wearable exercise heart rate monitoring device. In order to meet the low?energy power supply requirement of wearable exercise heart rate monitoring device， an energy consumption feedback unit was designed. Based on the function to be implemented by hardware， software program was compiled. The energy consumption of power supply of wearable exercise heart rate monitoring device can be kept low by means of the PID algorithm. The experimental results show that the energy consumption of the designed power supply is low.
Keywords： wearable exercise heart rate monitoring device； low?energy consumption； power supply design； PID algorithm
人体心率为生物医学中的关键指标，心率监测为当前世界各地研究的热点问题。近年来，可穿戴运动心率监测设备因体积小、成本低的特点被广泛应用于人体生物领域中，其改变了传统的“被动”监测模式，能够在低生理与心理负荷下对心率进行监测[1?2]。随着可穿戴运动心率监测设备的广泛应用，人们对其能耗要求越来越高，因此，设计可穿戴运动心率监测设备的低能耗电源具有重要意义[3?4]。设计了一种新的可穿戴运动心率监测设备低能耗电源，给出所设计低能耗电源芯片内部结构，其主要由欠压锁存模块、过压保护模块、低压差线性稳压器和能量回馈装置构成。依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写，通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制。实验结果表明，所设计电源能耗低。
1 低能耗电源设计
1.1 电源芯片内部结构设计
本节选用的电源芯片内部结构如图1所示，其主要由欠压锁存模块、过压保护模块、低压差线性稳压器和能量回馈装置构成。
1.2 欠压锁存电路设计
在VCC电压低于既定电压值的情况下，可穿戴运动心率监测设备在一定程度上会出现数据采集不稳定的现象[5]，所以设计的电源需具有欠压锁存功能；可穿戴运动心率监测设备将停止工作。不停重启直至VCC电压正常，设计的欠压锁存电路如图2所示，其工作原理如下，在VCC电压从低电压升高至一定值的过程中，电路将输出低电平脉冲，开启欠压锁存电路模块，使得VCC电压逐渐降低[6]；当VCC电压降低至一定值时，电路将输出高电平，使得可穿戴运动心率监测设备停止运行。
由图2知，当VCC电压升高至[VCC=VD1+VD2+][1+R2+R1R3·R4]时，令M1导通，这时M1的漏极电压将降低，令触发器Smit输出高电平，当前M2，M3管导通，使得电阻R2与二极管D2导通。此刻就算VCC开始呈下降趋势，M1管仍旧导通，输出低电平，直至VCC电压低于[VCC=VD1+1+R1R3·R4]，M1管断开，M1的漏极电平升高，输出状态将发生变化。
1.3 过压保护电路设计
如果VCC电压过高，超过23 V，电路将产生VCC过压保护信号，电路输出高电平，形成逻辑信号使开关管关闭，如果连续三个周期有该信号出现，则电源芯片将被强制关掉，可穿戴运动心率监测设备将停止运行，保护了电源芯片的安全，VCC过压保护电路如图3所示。
1.4 低压差线性稳压器设计
低压差线性稳压器不仅提供电力给可穿戴运动心率监测设备的电源[7]，而且还提供部分偏置电压，其电路图如图4所示。
图4中的Vref1和Vref2代表偏置电压。低压差线性稳压器的供电能力需超过2 mA，这主要是由于电路在满载的情况下芯片所需的电流约为2 mA，如果供电能力低于2 mA，VDD电压会大大降低，整个电源将无法工作。本节通过偏置电压令低压差线性稳压器的供电能力一直高于2 mA，实现低压差线性稳压器的稳压功能。
1.5 能量回馈装置设计
为了达到可穿戴运动心率监测设备电源的低能耗要求，提高可穿戴运动心率监测设备的整体性能，本节设计了能量回馈装置，其电路图如图5所示。
在交流侧，通过滤波电感[LS]使得电路电压保持平衡，将[R0-C0]构成滤波器对周围高次谐波进行滤除。在直流侧，通过平波电抗器[LS]使直流电源以额定电流放电，将[L2-C2]构成谐振滤波器对周围的二次谐波进行滤除。
能量回馈装置的工作原理如下，当[iS]和[uS]的相位相同时，电路处于整流状态，当前电源向整流逆变电路输送能量；当[iS]和[uS]的相位相反时，电路处于逆变状态，当前整流逆变电路向电源反送能量，以保持电源的低能耗[8?9]。
2 系统软件设计
硬件功能的实现是需要软件作为基础的[10]。在程序中，首先需对软件进行初始化处理，然后依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写。本节通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制，软件设计框图如图6所示。
3 实验结果分析
为了验证本文设计的可穿戴运动心率监测设备的低能耗电源的性能，实验将变频电源和CPLD电源作为对比，在Matlab实验平台进行测试。
在其他条件相同的情况下，将本文电源、变频电源和CPLD电源应用于可穿戴运动心率监测设备中，对三种电源的能耗进行比较，得到的结果如图7所示。
分析图7可以看出，本文设计电源的能耗明显低于变频电源和CPLD电源，说明本文电源可保证能耗的低水平，有很高的应用价值。同时分析图7可以看出，本文方法的能耗只有变频电源的30%左右，只有CPLD电源的40%左右，所以本文电源比变频电源和CPLD电源更能降低可穿戴运动心率监测设备的整体能耗，具有一定的优越性。
电源的剩余能量能够体现电源能耗的均衡性，本节在上述实验的基础上对本文电源、变频电源和CPLD电源的剩余能量进行比较，得到的结果如图8所示。
图8 三种电源剩余能量比较结果
分析图8可以看出，本文电源剩余能量远远高于变频电源和CPLD电源，同时本文电源剩余能量的变化相对平稳，没有显著的波动，而变频电源和CPLD电源的剩余能量曲线波动较大，说明本文电源能耗均衡性较高。
4 结 论
本文设计了一种新的可穿戴运动心率监测设备低能耗电源，并给出所设计低能耗电源芯片内部结构。其主要由欠压锁存模块、过压保护模块、低压差线性稳压器和能量回馈装置构成。
详细介绍了各模块的设计过程。依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写，通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制。实验结果表明，所设计电源能耗低。
参考文献
[1] 孙惠康，李庆之，焦良葆，等.基于蓝牙4.0的可穿戴心率监测仪设计[J].物联网技术，2016，6（3）：17?19.
[2] 李冰冰，俞帅东，杨象校，等.基于可穿戴的运动强度监测系统[J].计算机系统应用，2015，24（5）：32?39.
[3] 薛俊伟，黄岳山，杜欣，等.蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备的设计[J].中国生物医学工程学报，2015，34（6）：701?707.
[4] 王锟湃，柯文德.石化作业可穿戴式智能应急信息装备系统研究[J].广东石油化工学院学报，2015，25（6）：88?92.
[5] 於少文，孔繁涛，张建华，等.可穿戴设备技术在奶牛养殖中的应用及发展趋势[J].中国农业科技导报，2016，18（5）：102?110.
[6] 王利，張思琪，曹继刚.脉诊疾病预警定位智能手环的发明设计[J].中国中医药现代远程教育，2016，14（15）：51?53.
[7] 王继广，杨耿煌，孙文彬.基于变频电源的风机节能控制系统设计[J].天津职业技术师范大学学报，2016，26（2）：30?35.
[8] 张承辉，刘雄飞，徐遵明.一种高性价比的节能型应急电源的设计[J].电源技术，2015，39（12）：2729?2731.
[9] 黄瑞宁，李毅，刘晓飞.节能型电火花加工脉冲电源的研究[J].中国机械工程，2016，27（18）：2520?2523.
[10] 张立材，武剑.节能型电火花脉冲电源改进研究[J].工业控制计算机，2016，29（8）：129?130.
摘 要： 可穿戴运动心率监测设备对电源的要求较高，当前电源设计过程中，存在电源电路设计复杂、电压输出不稳定、能耗高的弊端，不能满足可穿戴运动心率监测设备对电源的要求。为此，设计了一种新的可穿戴运动心率监测设备低能耗电源，给出所设计低能耗电源芯片内部结构。介绍了欠压锁存模块的设计过程，通过欠压锁存模块保证数据采集的稳定性。为了保护电源芯片的安全性，设计了VCC过压保护电路。通过低压差线性稳压器给可穿戴运动心率监测设备的电源提供电力和部分偏置电压。为了符合可穿戴运动心率监测设备电源的低能耗要求，设计了能量回馈装置。依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写，通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制。实验结果表明，所设计电源能耗低。
关键词： 可穿戴运动心率监测设备； 低能耗； 电源设计； PID算法
中图分类号： TN86?34； TP39 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0174?03
Design of low?energy consumption power supply for wearable exercise heart rate monitoring device
CAO Jing
（Nanjing University of Technology， Nanjing， 210009， China）
Abstract： The wearable exercise heart rate monitoring device has high demand for power supply. In the current power supply design process， the power circuit design is complex， the output voltage is not stable， and the energy consumption is high， which cannot meet power supply requirements of wearable exercise heart rate monitoring device. Therefore， a new low?energy power supply for the wearable exercise heart rate monitoring device was designed. In this paper， the internal structure of the low?energy power supply chip is given and the design process of the undervoltage latch module is introduced， which is used to guarantee data acquisition stability. In order to protect the safety of power supply chip， VCC overvoltage protection circuit was designed. Low dropout linear regulators are used to provide power and partial bias voltage for the wearable exercise heart rate monitoring device. In order to meet the low?energy power supply requirement of wearable exercise heart rate monitoring device， an energy consumption feedback unit was designed. Based on the function to be implemented by hardware， software program was compiled. The energy consumption of power supply of wearable exercise heart rate monitoring device can be kept low by means of the PID algorithm. The experimental results show that the energy consumption of the designed power supply is low.
Keywords： wearable exercise heart rate monitoring device； low?energy consumption； power supply design； PID algorithm
人体心率为生物医学中的关键指标，心率监测为当前世界各地研究的热点问题。近年来，可穿戴运动心率监测设备因体积小、成本低的特点被广泛应用于人体生物领域中，其改变了传统的“被动”监测模式，能够在低生理与心理负荷下对心率进行监测[1?2]。随着可穿戴运动心率监测设备的广泛应用，人们对其能耗要求越来越高，因此，设计可穿戴运动心率监测设备的低能耗电源具有重要意义[3?4]。设计了一种新的可穿戴运动心率监测设备低能耗电源，给出所设计低能耗电源芯片内部结构，其主要由欠压锁存模块、过压保护模块、低压差线性稳压器和能量回馈装置构成。依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写，通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制。实验结果表明，所设计电源能耗低。
1 低能耗电源设计
1.1 电源芯片内部结构设计
本节选用的电源芯片内部结构如图1所示，其主要由欠压锁存模块、过压保护模块、低压差线性稳压器和能量回馈装置构成。
1.2 欠压锁存电路设计
在VCC电压低于既定电压值的情况下，可穿戴运动心率监测设备在一定程度上会出现数据采集不稳定的现象[5]，所以设计的电源需具有欠压锁存功能；可穿戴运动心率监测设备将停止工作。不停重启直至VCC电压正常，设计的欠压锁存电路如图2所示，其工作原理如下，在VCC电压从低电压升高至一定值的过程中，电路将输出低电平脉冲，开启欠压锁存电路模块，使得VCC电压逐渐降低[6]；当VCC电压降低至一定值时，电路将输出高电平，使得可穿戴运动心率监测设备停止运行。
由图2知，当VCC电压升高至[VCC=VD1+VD2+][1+R2+R1R3·R4]时，令M1导通，这时M1的漏极电压将降低，令触发器Smit输出高电平，当前M2，M3管导通，使得电阻R2与二极管D2导通。此刻就算VCC开始呈下降趋势，M1管仍旧导通，输出低电平，直至VCC电压低于[VCC=VD1+1+R1R3·R4]，M1管断开，M1的漏极电平升高，输出状态将发生变化。
1.3 过压保护电路设计
如果VCC电压过高，超过23 V，电路将产生VCC过压保护信号，电路输出高电平，形成逻辑信号使开关管关闭，如果连续三个周期有该信号出现，则电源芯片将被强制关掉，可穿戴运动心率监测设备将停止运行，保护了电源芯片的安全，VCC过压保护电路如图3所示。
1.4 低压差线性稳压器设计
低压差线性稳压器不仅提供电力给可穿戴运动心率监测设备的电源[7]，而且还提供部分偏置电压，其电路图如图4所示。
图4中的Vref1和Vref2代表偏置电压。低压差线性稳压器的供电能力需超过2 mA，这主要是由于电路在满载的情况下芯片所需的电流约为2 mA，如果供电能力低于2 mA，VDD电压会大大降低，整个电源将无法工作。本节通过偏置电压令低压差线性稳压器的供电能力一直高于2 mA，实现低压差线性稳压器的稳压功能。
1.5 能量回馈装置设计
为了达到可穿戴运动心率监测设备电源的低能耗要求，提高可穿戴运动心率监测设备的整体性能，本节设计了能量回馈装置，其电路图如图5所示。
在交流侧，通过滤波电感[LS]使得电路电压保持平衡，将[R0-C0]构成滤波器对周围高次谐波进行滤除。在直流侧，通过平波电抗器[LS]使直流电源以额定电流放电，将[L2-C2]构成谐振滤波器对周围的二次谐波进行滤除。
能量回馈装置的工作原理如下，当[iS]和[uS]的相位相同时，电路处于整流状态，当前电源向整流逆变电路输送能量；当[iS]和[uS]的相位相反时，电路处于逆变状态，当前整流逆变电路向电源反送能量，以保持电源的低能耗[8?9]。
2 系统软件设计
硬件功能的实现是需要软件作为基础的[10]。在程序中，首先需对软件进行初始化处理，然后依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写。本节通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制，软件设计框图如图6所示。
3 实验结果分析
为了验证本文设计的可穿戴运动心率监测设备的低能耗电源的性能，实验将变频电源和CPLD电源作为对比，在Matlab实验平台进行测试。
在其他条件相同的情况下，将本文电源、变频电源和CPLD电源应用于可穿戴运动心率监测设备中，对三种电源的能耗进行比较，得到的结果如图7所示。
分析图7可以看出，本文设计电源的能耗明显低于变频电源和CPLD电源，说明本文电源可保证能耗的低水平，有很高的应用价值。同时分析图7可以看出，本文方法的能耗只有变频电源的30%左右，只有CPLD电源的40%左右，所以本文电源比变频电源和CPLD电源更能降低可穿戴运动心率监测设备的整体能耗，具有一定的优越性。
电源的剩余能量能够体现电源能耗的均衡性，本节在上述实验的基础上对本文电源、变频电源和CPLD电源的剩余能量进行比较，得到的结果如图8所示。
图8 三种电源剩余能量比较结果
分析图8可以看出，本文电源剩余能量远远高于变频电源和CPLD电源，同时本文电源剩余能量的变化相对平稳，没有显著的波动，而变频电源和CPLD电源的剩余能量曲线波动较大，说明本文电源能耗均衡性较高。
4 结 论
本文设计了一种新的可穿戴运动心率监测设备低能耗电源，并给出所设计低能耗电源芯片内部结构。其主要由欠压锁存模块、过压保护模块、低压差线性稳压器和能量回馈装置构成。
详细介绍了各模块的设计过程。依据硬件需要实现的功能，对软件程序进行编写，通过PID算法对可穿戴运动心率检测设备的电源进行低能耗控制。实验结果表明，所设计电源能耗低。
参考文献
[1] 孙惠康，李庆之，焦良葆，等.基于蓝牙4.0的可穿戴心率监测仪设计[J].物联网技术，2016，6（3）：17?19.
[2] 李冰冰，俞帅东，杨象校，等.基于可穿戴的运动强度监测系统[J].计算机系统应用，2015，24（5）：32?39.
[3] 薛俊伟，黄岳山，杜欣，等.蓝牙低功耗可穿戴血氧监测设备的设计[J].中国生物医学工程学报，2015，34（6）：701?707.
[4] 王锟湃，柯文德.石化作业可穿戴式智能应急信息装备系统研究[J].广东石油化工学院学报，2015，25（6）：88?92.
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[6] 王利，張思琪，曹继刚.脉诊疾病预警定位智能手环的发明设计[J].中国中医药现代远程教育，2016，14（15）：51?53.
[7] 王继广，杨耿煌，孙文彬.基于变频电源的风机节能控制系统设计[J].天津职业技术师范大学学报，2016，26（2）：30?35.
[8] 张承辉，刘雄飞，徐遵明.一种高性价比的节能型应急电源的设计[J].电源技术，2015，39（12）：2729?2731.
[9] 黄瑞宁，李毅，刘晓飞.节能型电火花加工脉冲电源的研究[J].中国机械工程，2016，27（18）：2520?2523.
[10] 张立材，武剑.节能型电火花脉冲电源改进研究[J].工业控制计算机，2016，29（8）：129?130.
